高中物理教學(xué)論文 滲透物理思想 提高思維能力

1、滲透物理思想 提高思維能力在中學(xué)物理教學(xué)中滲透物理思想方法，是新課標(biāo)的教學(xué)目標(biāo)之一。物理思想方法是對(duì)物理知識(shí)的本質(zhì)及其規(guī)律的理性認(rèn)識(shí)，是發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的靈魂和根本策略。一個(gè)學(xué)生掌握了一定的物理思想方法，就提高了發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。這在物理競(jìng)賽中顯得更為重要。物理競(jìng)賽是提高學(xué)生學(xué)習(xí)物理的主動(dòng)性和興趣，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力的一個(gè)重要方面。競(jìng)賽試題既立足于基礎(chǔ)知識(shí)，又高于一般要求。它對(duì)學(xué)生的思維能力、實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力均有很高的要求，學(xué)生不僅要有良好的物理素養(yǎng)，還應(yīng)有具扎實(shí)的數(shù)學(xué)功底和良好的物理思想方法。筆者在物理競(jìng)賽輔導(dǎo)中滲透物理思想，尋找物理思想方法與思維能

2、力的結(jié)合點(diǎn)，在提高學(xué)生的思維品質(zhì)與思維能力方面收到較好的效果，本文就此與各位同行共饗之。1、滲透微元思想，提高學(xué)生善于分析推理的思維能力微元法又稱微量法，在物理系統(tǒng)中，一些物理量往往隨著另一些物理量的改變而連續(xù)地非線性變化。在這種情況下，我們經(jīng)常需要計(jì)算這些物理量的變化率或是變化累積效應(yīng)。如物體內(nèi)部張力的計(jì)算，非對(duì)稱性物體的質(zhì)心位置，非線性變力的功和沖量，非勻變速運(yùn)動(dòng)物體的位移和路程，非對(duì)稱性帶電體產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng)分布，非線性電流的功和電量的計(jì)算等。在用微元法解決問(wèn)題時(shí)，往往需要分析相關(guān)物理量間的關(guān)系，通過(guò)微元思想，可以較好地提高學(xué)生的分析能力。例  一只狐貍以不變的速度v1沿直線AB逃跑

3、，獵犬以不變的速率v2 追擊，其追擊方向始終對(duì)準(zhǔn)狐貍。某時(shí)刻狐貍在AB上的F處，獵犬在D處，F(xiàn)DAB，F(xiàn)D=L，如圖1所示。設(shè)v2  v1，問(wèn)獵犬追上狐貍還需多長(zhǎng)時(shí)間？解析 設(shè)某時(shí)刻獵犬與狐貍分別運(yùn)動(dòng)到D、F點(diǎn)，此時(shí)2 與AB線夾角為i ，則獵犬相對(duì)狐貍的逼近速度為u=2 -1cosi，在t0極短時(shí)間內(nèi)，兩者的逼近距離為d=ut，同時(shí)，AB方向上，獵犬運(yùn)動(dòng)距離為x=2cosit；設(shè)所求時(shí)間為t，則t=t，L=d，狐貍運(yùn)動(dòng)距離x=1t。由上面幾個(gè)方程可以得到：L=（2 -1cosi ）t=2t-1cosi t，1t=2cosit，由此兩式可以求出：t=L2/（22-12）微元法中，微小

4、量的累積（積分）可以直接數(shù)學(xué)運(yùn)算，但在物理競(jìng)賽大綱中，沒有要求會(huì)用高等數(shù)學(xué)工具，因此在很多相關(guān)題目中，需要巧妙地使用微小量間的關(guān)系，這樣的題目如果用高等數(shù)學(xué)來(lái)解，并不占便宜，以上就是經(jīng)典一例。平時(shí)訓(xùn)練這類問(wèn)題，分析各物理量的關(guān)系以及物理規(guī)律的使用條件，可以培養(yǎng)學(xué)生善于分析推理的思維能力。2、滲透黑箱思想，提高學(xué)生逆向思維的能力黑箱問(wèn)題，或稱黑匣子問(wèn)題，是典型的一類逆向思維問(wèn)題。黑箱的含義，是指所研究的物理系統(tǒng)透明度很低，內(nèi)部狀況被遮蔽，只能通過(guò)有限信息來(lái)揭示它的內(nèi)幕。例如：我們可以通過(guò)天體的運(yùn)動(dòng)，通過(guò)遙遠(yuǎn)天體的輻射來(lái)了解宇宙的結(jié)構(gòu)與演化；可以通過(guò)太陽(yáng)光譜、太陽(yáng)風(fēng)暴、太陽(yáng)黑子來(lái)了解太陽(yáng)的溫度、壓

5、強(qiáng)、成分、磁場(chǎng)以及太陽(yáng)中心區(qū)域的劇烈的核反應(yīng)；可以通過(guò)高能物理實(shí)驗(yàn)來(lái)了解物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)、粒子反應(yīng)規(guī)律等等。求黑箱問(wèn)題，就是一個(gè)由表及里、由現(xiàn)象到本質(zhì)的問(wèn)題。在物理競(jìng)賽中，通過(guò)黑箱問(wèn)題的訓(xùn)練，能較好地提高學(xué)生逆向思維能力。例 （實(shí)驗(yàn)題）一個(gè)黑箱上面有四個(gè)接線柱，編號(hào)如圖2所示。箱內(nèi)裝有三個(gè)元件，按一定方式連接。每?jī)蓚€(gè)接線柱間最多只連一個(gè)元件，可能沒有，也可能短路。盒內(nèi)的三個(gè)元件可能是電池、電阻、半導(dǎo)體二極管。有一塊萬(wàn)用表可供測(cè)試，要求確定黑箱內(nèi)三個(gè)元件的名稱，畫出連接電路圖，注明各元件數(shù)值。解析 僅由題目給出的三條信息，顯然無(wú)法推測(cè)電路的構(gòu)成。但題目給出了一塊萬(wàn)用表，可用此表逐步測(cè)試，得到必要的

6、信息。首先確定有無(wú)電池及電池的位置：因?yàn)槿绻须姵卮嬖诙鴽]有找出其確切的位置，就不能用萬(wàn)用表的歐姆檔測(cè)各接線柱之間的阻值，否則就可能燒毀萬(wàn)用表。操作時(shí)，應(yīng)當(dāng)用萬(wàn)用表的直流高壓檔去測(cè)試各接線柱間電壓，如測(cè)試中指針偏轉(zhuǎn)較小，再改用電壓較低檔去測(cè)試，如直到電壓最低檔表頭指針仍不偏轉(zhuǎn)，則說(shuō)明箱內(nèi)無(wú)電池存在。在測(cè)試中有可能電壓表反接 而造成指針反指，但因一般所測(cè)電池電壓較小，電壓表指針反打不會(huì)對(duì)表頭造成什么損失。如以上步驟測(cè)得U13=U14=0、U24=U23= U21=1.5V，則由此可以判斷箱內(nèi)有干電池，且其一端一定與接線柱2相連，又由兩接線柱間只能有一個(gè)電池，且測(cè)得電壓均是1.5V，說(shuō)明內(nèi)部本身無(wú)

7、回路。接著判斷有無(wú)二極管：因二極管的正、反向電阻完全不同，所以可用萬(wàn)用表歐姆檔去檢測(cè)兩接線柱之間正、反兩向電阻情況，但在測(cè)試中表筆不可接觸接線柱2，這是因?yàn)檫@種接法可能造成歐姆表內(nèi)部電路與箱內(nèi)電池構(gòu)成回路，從而燒毀歐姆表。同時(shí)為保護(hù)箱內(nèi)可能存在的二極管，不要使用歐姆表的最高與最低阻檔，因?yàn)槭褂酶咦铏n時(shí)，歐姆表內(nèi)接電源電壓較高，如恰使二極管反接，可造成二極管反向擊穿。使用低阻檔時(shí)，歐姆表內(nèi)部電阻很小，如恰使二極管正接，由于總電阻很小，電流過(guò)大，會(huì)造成二極管燒毀。如以上步驟測(cè)量結(jié)果為：R34=1100、R43=51000、R31= R13=1000、R14=50000、R41=100(注：此處Ri

8、j為紅表筆接第i接線柱時(shí)所測(cè)值)。由這些信息可以推測(cè)：1、3接線柱間為一個(gè)lk的定值電阻，且1、3間電路沒有與含二極管的支路并聯(lián)，原因是其正、反兩向電阻相同。1、4接線柱間有一個(gè)二極管，并且其正極接在1柱上，4、3接線柱間有一個(gè)1k定值電阻，且與1、4間二極管為串聯(lián)關(guān)系。因一共只有三個(gè)元件，所以推測(cè)電路如圖3的(a)、(b)、(c)所示。對(duì)上述電路進(jìn)行預(yù)測(cè)，若是圖(a)，則用萬(wàn)用表直流電壓檔測(cè)量2、4間電壓時(shí)，電壓表示數(shù)應(yīng)為1.5V。而圖(b)、(c)當(dāng)中，用直流電壓檔測(cè)量2、4間電壓時(shí)，因二極管均反向接入電路之中，其電阻很大，此時(shí)二極管與電壓表內(nèi)阻串聯(lián)分壓已不可忽略，所以由表頭讀出電壓值應(yīng)明

9、顯小于1.5V。實(shí)際測(cè)量結(jié)果已于第一步顯示：U24=1.5V，所以圖(a)正確競(jìng)賽中的黑箱問(wèn)題較多，除了上述電路網(wǎng)絡(luò)黑箱之外，還有磁場(chǎng)黑箱、光具組黑箱等等，有的是直接給出輸入、輸出信息，有的是實(shí)驗(yàn)黑箱，本例為后者，筆者嘗試發(fā)現(xiàn)，多設(shè)置這類問(wèn)題，能大大提高學(xué)生的邏輯推理及逆向思維能力。3、滲透對(duì)稱思想，提高學(xué)生善于聯(lián)想比較的思維能力對(duì)稱性是美學(xué)準(zhǔn)則之一，對(duì)稱性范疇包括均勻性、周期性乃至和諧性等特性。物理學(xué)理論的發(fā)展過(guò)程，就是人類對(duì)自然界對(duì)稱性的認(rèn)識(shí)不斷深化的過(guò)程，例如：伽例略變換對(duì)稱性導(dǎo)致牛頓力學(xué)，洛倫茲變換對(duì)稱性導(dǎo)致狹義相對(duì)論，時(shí)空坐標(biāo)一般變換對(duì)稱性導(dǎo)致廣義相對(duì)論等等。運(yùn)用這種對(duì)稱思想可以簡(jiǎn)化

10、物理情景或物理過(guò)程，進(jìn)而理清解題思路。一般的對(duì)稱形式有軸對(duì)稱、面對(duì)稱和球?qū)ΨQ，涉及的內(nèi)容有運(yùn)動(dòng)的對(duì)稱、作用的對(duì)稱、分布的對(duì)稱等。在競(jìng)賽輔導(dǎo)中，有許多顯性對(duì)稱性問(wèn)題，可以直接利用對(duì)稱模型解決，也有許多隱性對(duì)稱性問(wèn)題，這要求先挖掘出相關(guān)的可以比較的對(duì)稱模型，然后利用對(duì)稱模型來(lái)解決。通過(guò)這類問(wèn)題的訓(xùn)練，可以較好地提高學(xué)生的比較能力。例 如圖4所示，平面上有一段長(zhǎng)為L(zhǎng)的均勻帶電直線段AB。(1)試證：任一點(diǎn)P的場(chǎng)強(qiáng)方向沿APB的角平分線方向。(2)求平面上的等勢(shì)線方程(取AB方向?yàn)閤方向，AB中點(diǎn)取為坐標(biāo)原點(diǎn)，令P點(diǎn)位于xoy面上)。解析 本來(lái)，帶電線段AB在P點(diǎn)產(chǎn)生的電場(chǎng)看不出有明顯的對(duì)稱特征。但我

11、們可將此電場(chǎng)與一以P為圓心，與x軸相切，電荷密度相同，弧角為APB的一段帶電圓弧的電場(chǎng)相比較。不難驗(yàn)證，兩者在P點(diǎn)所產(chǎn)生的電場(chǎng)大小方向皆相同。由于對(duì)稱性，后者的電場(chǎng)方向沿著APB的對(duì)角線方向，因而前者也是如此。以下(2)題只要將等勢(shì)線同已知的二次曲線性質(zhì)相比較，再對(duì)號(hào)入座即可。(2)以A、B為焦點(diǎn)，并過(guò)P點(diǎn)作一橢圓(如圖5)。根據(jù)橢圓光學(xué)性質(zhì)，若在P點(diǎn)沿橢圓切向置一平面鏡MN，則由A點(diǎn)發(fā)出的光線一經(jīng)MN反射后至B點(diǎn)。由此可知，APB角平分線方向(即P點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)方向)正是橢圓在P點(diǎn)的法向。這表明，帶電線段AB產(chǎn)生的電場(chǎng)的等勢(shì)線族，正是以A、B為焦點(diǎn)的橢圓族，得曲線方程：x2/a2-y2/b2=1，其

12、中a2-b2=L2/4，而a、b為可調(diào)參量。對(duì)稱問(wèn)題，有的是本身直接給出的對(duì)稱性，例如電阻網(wǎng)絡(luò)、光路的可逆與對(duì)稱等等，有的是本身沒有對(duì)稱性，但如果聯(lián)想到可比較的對(duì)稱性模型，解決問(wèn)題就很方便了，本題即為后者的經(jīng)典一例，通過(guò)這類問(wèn)題的訓(xùn)練，可以提高學(xué)生豐富的聯(lián)想比較的思維能力。4、滲透等效思想，提高學(xué)生善于變換類比的思維能力等效法即為等效替代，其所聯(lián)系的事物應(yīng)當(dāng)是同類的或相近的，它是指出兩種事物之間的等效性，或者為已知物理對(duì)象構(gòu)造一個(gè)替代品，其目的是通過(guò)等效替代來(lái)化簡(jiǎn)物理模型，或者尋求解決問(wèn)題的新線索。從而使某些復(fù)雜的問(wèn)題情景得以簡(jiǎn)化。等效法最杰出的例子莫過(guò)于愛因斯坦的廣義相對(duì)論中的等效原理，該原

13、理指出，一個(gè)引力場(chǎng)可與一個(gè)直線加速參照系局域的等效，等效原理開辟了引力理論研究的新途徑，它與廣義相對(duì)性原理共同構(gòu)成了廣義相對(duì)論的基石。等效法的重要特征就是變換，在競(jìng)賽輔導(dǎo)中，許多復(fù)雜問(wèn)題可以等效成兩個(gè)或幾個(gè)簡(jiǎn)單模型的疊加，從而用簡(jiǎn)單模型解決復(fù)雜問(wèn)題。通過(guò)這方面的訓(xùn)練，可以較好地提高學(xué)生變換類比的能力。例 在空間有相互垂直的場(chǎng)強(qiáng)為E的勻強(qiáng)電場(chǎng)和磁感強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)。如圖6所示，一電子從原點(diǎn)靜止釋放，求電子在y軸方向前進(jìn)的最大距離。(電子質(zhì)量為m) 解析 電子在疊加場(chǎng)中受力為恒定的電場(chǎng)力以及洛倫茲力，由于運(yùn)動(dòng)速率變化，方向也變化，因此洛倫茲力大小方向均變化，導(dǎo)致合力大小方向均變化，電子運(yùn)動(dòng)很復(fù)雜

14、。有必要考慮等效方法，利用幾個(gè)簡(jiǎn)單模型的疊加來(lái)替代該復(fù)雜的電子的運(yùn)動(dòng)。雖然電子在O點(diǎn)速度為零，但也可以設(shè)想為具有沿x方向的速度+和一，其中滿足：  照此設(shè)想，電子在其后的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中將受到三個(gè)力，一個(gè)是沿+y方向的電場(chǎng)力，一個(gè)是由于電子沿x軸向右運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的一y方向的洛倫茲力，另一個(gè)是電子沿一x軸運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的+y方向的洛倫茲力，注意到電子沿一y方向所受的洛倫茲力和它所受的電場(chǎng)力相平衡。故電子的運(yùn)動(dòng)綜合起來(lái)可等效為：一個(gè)速度為+，沿+x方向的勻速直線運(yùn)動(dòng)（如圖7），一個(gè)速率為的勻速圓周運(yùn)動(dòng)（如圖8），電子的實(shí)際運(yùn)動(dòng)即為上述兩個(gè)簡(jiǎn)單模型的合成，合成的軌跡如圖9所示，為標(biāo)準(zhǔn)的滾輪線！對(duì)勻速圓周

15、運(yùn)動(dòng)，有：其中 ，易得 即為所求。在物理競(jìng)賽中，這類問(wèn)題非常多，例如雙球面電容的求解利用n個(gè)鏡像電荷模型的疊加、無(wú)限網(wǎng)絡(luò)電阻求解利用電流從A點(diǎn)流入到達(dá)無(wú)窮遠(yuǎn)和電流從無(wú)窮遠(yuǎn)流入到B點(diǎn)流出時(shí)電流的分布再疊加等等。如果平時(shí)多注意“庖丁解?！笔降挠?xùn)練，可以較好地提高學(xué)生善于變換和類比的思維能力。5、滲透獨(dú)立性原理和疊加原理思想，提高學(xué)生善于綜合的思維能力獨(dú)立性原理是指同時(shí)存在多個(gè)運(yùn)動(dòng)形式或力或場(chǎng)源時(shí)，某種運(yùn)動(dòng)或某個(gè)力或某個(gè)場(chǎng)源的傳播或作用效果或場(chǎng)的分布不受其他運(yùn)動(dòng)或力或場(chǎng)源的影響。疊加原理是基于獨(dú)立性原理基礎(chǔ)上的重要規(guī)律，它表示的是運(yùn)動(dòng)傳播或力的作用效果或場(chǎng)的分布的一個(gè)總的作用效果

16、。在中學(xué)物理教學(xué)中，波的獨(dú)立傳播原理和疊加原理是競(jìng)賽中運(yùn)用獨(dú)立性原理和疊加原理的基礎(chǔ)。例 真空中，有五個(gè)電量均為Q的均勻帶電薄球殼，它們的半徑分別為R、R/2、R/4、R/8、R/16，彼此內(nèi)切于P點(diǎn)，如圖10所示。球心分別為O1、O2、O3、O4、O5。求O5與O1間的電勢(shì)差。解析 在多個(gè)場(chǎng)源并存的情況下，空間某點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)或電勢(shì)為各個(gè)場(chǎng)源在該點(diǎn)產(chǎn)生的電場(chǎng)的疊加?？紤]到電勢(shì)是標(biāo)量，故電勢(shì)的疊加即為代數(shù)和。根據(jù)電勢(shì)疊加原理，O5處的電勢(shì)是五個(gè)球殼上電荷在O5處電勢(shì)的代數(shù)和，即物理競(jìng)賽中獨(dú)立性原理和疊加原理應(yīng)用的常見情景有：相對(duì)運(yùn)動(dòng)中的運(yùn)動(dòng)合成與分解，波的疊加（干涉現(xiàn)象），混合氣體中的道爾頓分壓定律

17、的運(yùn)用，多場(chǎng)源下的場(chǎng)強(qiáng)分布和電勢(shì)分布，含源網(wǎng)絡(luò)等。通過(guò)訓(xùn)練可以使學(xué)生提高獨(dú)立與整體的聯(lián)系，從而提高學(xué)生分析和綜合的思維能力。6、滲透特殊化哲學(xué)思想，提高學(xué)生善于運(yùn)用極限的思維能力極限思維方法是一種反常的思維模式，它通過(guò)考察研究對(duì)象在極限條件下的表現(xiàn)，從中獲取信息，進(jìn)而求得問(wèn)題的解決。極限思維涉及到一般與特殊、共性與個(gè)性這類哲學(xué)命題。我們必須看到，共性蘊(yùn)涵于個(gè)性之中，普遍性蘊(yùn)涵于特殊性之中，它們之間的關(guān)系是辨證的。19世紀(jì)末期，經(jīng)典物理學(xué)達(dá)到了頂峰，它幾乎可以解釋所有當(dāng)時(shí)人們已經(jīng)知道的“普遍”事物，但卻在個(gè)別“特殊”事件面前受到了挑戰(zhàn)，如邁克爾遜實(shí)驗(yàn)與黑體輻射。正是這類特殊事件，動(dòng)搖了經(jīng)典物理學(xué)的基礎(chǔ)，嶄新的近代物理理論應(yīng)運(yùn)而生，在新理論更為普遍的框架下，經(jīng)典物理理論只不過(guò)是某種極限條件下的特例而已。競(jìng)賽輔導(dǎo)中，滲透這種哲學(xué)思想，訓(xùn)練極限方法，可以提高學(xué)生善于運(yùn)用極限的思維能力。例 試應(yīng)用測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系估算線性諧振子的最小能量。解析 測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系是量子力學(xué)的一個(gè)基本原理，最普遍的是坐標(biāo)與動(dòng)量測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系，一般表示如下 ，其物理意義是：任何系統(tǒng)的坐標(biāo)與動(dòng)量都不能完全確定，它們的均方差乘積具有一個(gè)有限下限。上式可近似表示為線性諧振子平均能量可表示為：，另一方面，。，同理： 。由于諧振子的坐標(biāo)、動(dòng)量是正負(fù)對(duì)稱的，故有，于是，。由測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系，因而。由于兩項(xiàng)乘積（）為常數(shù)，故當(dāng)兩者相等時(shí)，